Življenje tovarn

Življenje tovarn

Roman Fishman
"Priljubljena mehanika" št. 11, 2017

Svetleče parove in svila z nanocevkami: znanstveniki so pripravljeni, da živali in rastline spremenijo v tovarne, da bi proizvedli materiale prihodnosti.

Insekti in pajki so izboljšali spretnost tkanja vlaken za več sto milijonov let in se naučili, kako ustvariti materiale, ki so neverjetno trpežni in lahki, biokompatibilni in kemično inertni. Škoda, da se njihova uporaba tisočletja uporablja za banalno proizvodnjo svilenih tkanin – čeprav je bolje, da poznamo lastnosti teh bioloških vlaken, bolj se zdi, da je mikroskop prikopan. Vzemite vsaj mrežo – material je bolj zanesljiv kot jeklo (natezna trdnost 1,0-2,7 GPa) in lažja od ogljikovih vlaken (gostota 1,3-1,4 g / cm3). Njegove lastnosti so primerljive z najboljšimi različicami Kevlarja in celo novoklepnimi vlakni, dodatno ojačeni z molekularnimi "vozli" na polimernih verigah. Veliko oblačil in kablov, trajnih biološko razgradljivih vrečk, kirurških žic in celo oklepa telesa bi prišlo iz spleta.

Te lastnosti rastejo iz kompleksne strukture pajkovih niti. Spider proteini, kot je spidroin, se izločajo s posebnimi žlezami in so večinoma sestavljeni iz aminokislin glicin in alanin.Ker se izločanje v zraku strdi, majhen in mobilni glicin tvori elastično in amorfno bazno strukturo, medtem ko je alanin organiziran v močne "kristalne" domene, ki jih je mogoče dodatno povezati s sulfidnimi mostovi serinskih aminokislinskih ostankov. To je pravi biokompozit, kompleksna struktura katere omogoča doseganje edinstvenih značilnosti. V amorfno bazo so lahko vključene dodatne molekule, ki dajejo spletu nove lastnosti: na primer pirolidin prestraši mravlje in istočasno aktivno absorbira vodo, s čimer ohranja mrežo v optimalno hidriranem stanju.

Okrepitev

Prisotnost takih "legirnih" spojin ni redka pri naravnih polimerih. Vključitve kovin okrepijo čeljusti nekaterih žuželk, mineralne kristale pa naredijo zobje pločevinastih morskih plošč najbolj trpežne od vseh naravnih materialov. Ni presenetljivo, da znanstveniki poskušajo izboljšati lastnosti spletu z uvajanjem umetnih dodatkov – nanodelcev, ogljikovih nanocevk in celo polprevodniških mikrokristalov kadmija, katerega prevleka je naredila splet fluorescira. Praviloma se preprosto škropijo na nit.V strukturo ni bilo mogoče vbrizgati delcev, dokler italijansko-britanska fizika Nicola Puño ni popila živali z vodo z grafenskimi kosmiči in nanocevkami.

Leta 2015 je njegova ekipa pokazala, da deluje tako preprosta metoda: potrebni aditivi so padli v arahnoid, s čimer se je povečeval njena trajnost in natezna trdnost včasih. Ta pristop so takoj uporabili kitajski znanstveniki, ki uporabljajo isto metodo za pridobivanje svilenih vlaken dvakrat močnejši. Medtem je profesor Punio izboljšal svojo metodo in septembra 2017 objavil rezultate preučevanja nitov ducat različnih pajkov, ki so bili napajani z enostranskimi nanocevkami ali raztopljenim grafonom. Največji kazalniki njihovega spletu so se izkazali za veliko boljši od tistega v naravnem: zahvaljujoč nanocevkam je ena od pramenov uspela nositi do 5400 MPa in absorbira do 1567 J / g energije pred uničenjem. "Postopek naravne ojačitve se lahko uporablja tudi za druge živali in rastline," so Puño in soavtorji njegovega dela prepričani, "to bo pripeljalo do nastanka novega razreda inovativnih bionskih kompozitov".

Proizvodnja

Italijanski profesor že več kot leto dni poskuša združiti nano in biotehnologijo. Patentiral je tudi postopek za proizvodnjo porozne gume, "ojačane" z nanocevkami, v katerih se votline ustvarijo s fermentacijo kvasa. Zdaj se zdi, da bo Puño spremenil žive organizme v okolju prijazne tovarne z naprednimi materiali. Pravzaprav so biokompoziti, kot so gastropodni mehkužci ali kozlični zobje, boljši od mnogih umetnih analogov, znanstveniki pa niso opustili svojih poskusov ustvarjanja tehnologij za njihovo industrijsko sintezo in modifikacijo. Uspelo je izločiti spidroin iz paukastih žlez in jih uporabiti za oblikovanje vlaknenih niti z uporabo elektrostatičnih in drugih metod. Vendar pa so vsi ti pristopi zapleteni, laboratorijski in jih obsegajo v ekonomsko izvedljivo proizvodnjo, še ni mogoče.

In ali so potrebni, če se ustvarjajo, plavajo in šele rastejo učinkovite naravne pridelovalci: polži tovarn chitin, donorji spidroina, ki so podobni pajki, ojačani z nanosnimi vlakni … Naše vprašanje je bilo, kakšne vrste materialov bi lahko na ta način izboljšali, Nikola Puño odgovoril: "Da, dobesedno vse, vključno z naravnim oklopom hroščev, lesa itd.p. "Po mnenju znanstvenika takšne rešitve ne bodo le dosegle najboljših lastnosti materialov, ampak bodo tudi varne za uporabo tudi v medicini. Kaj pa povečanje moči naših kosti z uvajanjem nanocevk v njih?" Do sedaj je to preveč fantastično, pravi profesor Punio, – vendar nikoli ne reci "nikoli". "

Katere neobstoječe materiale pričakujete od bližnje prihodnosti?

Artem Oganov, kemik, specialist za računalniško oblikovanje novih materialov:

1. Superprevodniki. Ustvarjanje snovi, ki ohranjajo ničelno upor, je bilo tudi resnično upanje tudi pri običajnih temperaturah in tlaku. Izračuni bodo imeli ključno vlogo pri njihovem iskanju – na primer rekordni visokotemperaturni superprevodnik H3S (-70 ° C) so prvič teoretično napovedali kitajski znanstveniki, ki so uporabljali mojo metodo in so šele nato sintetizirali. S prihodom prostorskih superprevodnikov se bo zgodila revolucija, posledice katere koli revolucije pa so nepredvidljive.

№ 2. Termoelektriki – materiali, ki pretvarjajo toploto v električno energijo. Zdaj obstajajo, vendar je njihova uporaba omejena zaradi nizke učinkovitosti.Če je mogoče povečati učinkovitost vsaj dvakrat, se bodo odprle nove niše: termoelektriki bodo zbrali parazitsko toploto v avtomobilih in letalih, zagotovili bodo oblačila s sistemom "klimatske kontrole". Izračuni kažejo, da je to mogoče.

Št. 3. Materiali za fotokatalizo. Pod vplivom svetlobe postanejo vznemirjeni in lahko pospešijo takšne reakcije, kot je na primer razdelitev vode za proizvodnjo vodika ali sintetiziranje umetnega bencina iz vode in CO.2. Posledice so jasne – revolucija v energetskem sektorju.

Št. 4. Novi magneti. Skoraj vsi dobri magneti vključujejo drago in težko rudnike redkih zemeljskih elementov. Resnično se želim znebiti tega in v bližnji prihodnosti se lahko ta naloga reši. Če bo to tudi uspelo izboljšati učinkovitost (ali je mogoče, čeprav ni jasno, da obstajajo dvomi), bodo na voljo nove vrste motorjev. "


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: